Der chilenische Vulkan Villarrica brach am 3. März 2015 plötzlich aus und spuckte eine mehr als 2 km hohe Lavafontäne aus. Die Eruption – die erste seit 30 Jahren – war unerwartet schnell und heftig. Er war auch von bemerkenswert kurzer Dauer. Innerhalb einer Stunde war die explosive Tätigkeit beendet. Nach etwa einem Monat kehrte der Vulkan in seinen normalen Zustand zurück, mit einem brodelnden Lavasee tief im steilwandigen Gipfelkrater.

Die Vorhersage solch heftiger Ausbrüche ist der heilige Gral der angewandten Vulkanwissenschaft. Um dieses Ziel zu erreichen, setzen Vulkanologen Seismometer ein, um Erschütterungen zu erkennen, Neigungsmesser und GPS, um Schwellungen zu identifizieren, und Multispektraldetektoren, um die Gas- und Wärmeentwicklung zu überwachen. Infraschallsensoren, die die von Vulkanen erzeugten tieffrequenten Geräusche aufzeichnen, sind ein zunehmend wichtiger Bestandteil dieses vielfältigen Instrumentariums.

Vulkanologen haben die Infraschallüberwachung traditionell eingesetzt, um sowohl Explosionen zu zählen als auch die Eruptionsintensität zu verfolgen – wichtige Fähigkeiten, wenn die Sicht auf den Vulkan verdeckt ist. Neuere Studien haben gezeigt, dass die Infraschallüberwachung auch zur Identifizierung wichtiger Eruptionsvorläufer genutzt werden kann. Der Villarrica gab durch die Veränderung seines Infraschalls Hinweise auf seine Unruhen. Heute wissen wir, dass die sich verändernden Geräusche von Villarrica eine Warnung waren, dass Lava im Krater aufstieg.

Diese Beobachtungen wurden zufällig im Rahmen eines von der National Science Foundation geförderten Forschungsprojekts, Volcano Acoustics: From Vent to Receiver“ (Vom Schlot zum Empfänger), das die Fernausbreitung des am Villarrica erzeugten Infraschalls untersuchte. Während der Feldexpedition 2015 installierten wir Sensoren auf dem Gipfel und an den Flanken des Vulkans. Obwohl die Eruption am 3. März den Einsatz auf dem Gipfel zerstörte, sammelten die Sensoren außerhalb der Schadenszone Daten, die eine vollständige Chronologie der zunehmenden Unruhen des Vulkans ergaben.

Vulkane als riesige Musikinstrumente

Vulkane erzeugen Infraschall, niederfrequente Töne unterhalb der menschlichen Wahrnehmungsschwelle. Trotz des unterschiedlichen Eruptionsverhaltens strahlen viele Vulkane ihre intensivsten Töne innerhalb weniger Oktaven von 1 Hertz aus, was Schallwellenlängen von Hunderten von Metern entspricht. Es ist kein Zufall, dass diese Dimension der Dimension der Vulkankrater ähnelt, die eine entscheidende Rolle bei der Modulation des abgestrahlten Schalls spielen.

In vielerlei Hinsicht ist ein Vulkan wie ein riesiges Musikinstrument. Wie bei den Vulkanen bestimmt die Größe des Horns die Tonhöhe des Klangs: Größere Hörner erzeugen tiefere Töne. Musikalische Klänge sind aufgrund der Resonanz des Horns in der Regel angenehm; Luftdruckwellen, die in einem Messingrohr hin und her schwappen, werden vom Schalltrichter des Horns klangvoll wiedergegeben. Die Form des Schallbechers ist wichtig und bestimmt, ob ein Ton scharf und kurz oder voll und nachhallend ist. Diese Eigenschaft, die unabhängig von der Frequenz oder Lautstärke eines Tons ist, wird allgemein als Klangfarbe bezeichnet.

Wie bei einem musikalischen Horn sind Klangfarbe und Tonhöhe eines Vulkans von der Form des Kraters abhängig. Vulkane mit tiefen Kratern neigen dazu, niederfrequente Töne zu erzeugen, während flache Krater höherfrequente Töne ausstrahlen. Schmale Kanäle schwingen oft über einen längeren Zeitraum nach, während breite, schalenförmige Krater möglicherweise überhaupt nicht nachhallen. Obwohl vulkanische Schallquellen vielfältig sein können, erzeugen die Schlote am Boden eines Kraters, die als Mundstücke fungieren, häufig Infraschall. Der heftige Ausstoß von Gas aus den Schloten oder von der Oberfläche eines Lavasees kann den Krater zum Mitschwingen bringen.

Vulkanische Unruhen und sich verändernde Schallqualität

Vulkanischer Infraschall verdient besondere Aufmerksamkeit, wenn er sich im Laufe der Zeit verändert. Das kann passieren, wenn Vulkane ihre Form verändern, wenn Kraterwände absacken, Böden einstürzen oder ein Lavasee sich hebt und senkt. Die Dynamik des Lavasees am Villarrica beispielsweise wird für die Veränderungen des Infraschalls vor dem heftigen Ausbruch im Jahr 2015 verantwortlich gemacht. Zuvor wurden die Frequenzschwankungen auf oszillierende Lavasee-Stufen zurückgeführt, doch 2015 stellten die Wissenschaftler eine systematische Veränderung fest, die zu der heftigen Eruption am 3. März führte. In einer Studie von Johnson et al. wurden zwei Hauptbeobachtungen gemacht: Der Frequenzgehalt der Geräusche stieg um den 1. März an (von 0,7 auf 0,95 Hertz), und die Klangfarbe änderte sich (Abbildung 1). Vor dem 1. März waren Nachhallgeräusche zu hören, aber danach wurde der Klang zu einem dumpfen Geräusch. Mit anderen Worten, die akustische Quelle des Kraters war gedämpft.

Der Krater von Villarrica ähnelt einem Trichter, mit einem konischen oberen Teil und einem schmalen Kanal darunter. Das Ausbleiben der Resonanz Anfang März ist wichtig, weil es nach numerischen Modellen auf einen hohen Stand des Lavasees in der Nähe des aufflackernden Kraterabschnitts hinweist. Während des typischen Hintergrundzustands von Villarrica liegt die Oberfläche des Lavasees tiefer – und oft versteckt – innerhalb des senkrechtwandigen Schachts. Am 2. März deuteten die Infraschallsignale darauf hin, dass sich der Lavasee dem Kraterrand näherte; das Horn war zu einem Lautsprecher geworden, wie im folgenden Video zu sehen ist.

Der Auslöser für die dramatische Lavafontäne am 3. März, die um 3:00 Uhr morgens Ortszeit begann, bleibt rätselhaft, aber das Endergebnis war ein heftiger Paroxysmus, der Sachschäden verursachte, Tausende von Menschen zur Evakuierung des Gebiets zwang und weltweit Schlagzeilen machte. Infraschallbeobachtungen haben uns gezeigt, dass die Oberfläche des Lavasees bereits einige Tage vor dem Ausbruch einen hohen Stand erreicht hatte. Diese Erkenntnisse können uns helfen, künftige Ausbrüche von Vulkanen mit offenem Schlot vorauszusehen.

Vulkanresonanz auf Steroiden

Jeder Vulkan hat eine einzigartige Infraschallsignatur. Im Vergleich zum Volcán Villarrica, dessen Resonanz sich innerhalb weniger Tage von wahrnehmbar zu abwesend entwickelte, war der Infraschall des ecuadorianischen Vulkans Cotopaxi bemerkenswert, weil er 2016 durchgehend erklang (Abbildung 2). Die Infraschallschwingungen von Villarrica dauerten kumuliert einige Sekunden, aber eine einzelne Schwingung am Cotopaxi dauerte 5 Sekunden. Bei einigen Infraschallsignalen wurden bis zu 16 Oszillationen festgestellt, die erstaunlicherweise mehr als eine Minute andauerten (Abbildung 3).

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Eine Studie über die 2016 aufgezeichneten Cotopaxi-Ereignisse bezeichnet diese schönen Signale als Infraschall-Tornillos, das spanische Wort für Schrauben, weil die Druckaufzeichnung dem Profil einer Schraube ähnelt . Solche Wellenformen zeugen von einer außergewöhnlich geringen Dämpfung und damit von einem hohen Qualitätsfaktor der akustischen Quelle des Kraters. (Quellen mit höheren Qualitätsfaktoren haben weniger Dämpfung und klingen oder schwingen länger.)

Wenn Villarrica wie eine große Posaune ist, deren Mundrohrlänge sich im Laufe der Zeit ändert, dann ist der Cotopaxi wie eine riesige Tuba, deren Abmessungen während eines Großteils der Jahre 2015 und 2016 relativ unverändert blieben. Nachdem Explosionen im August 2015 den Krater des Cotopaxi geöffnet hatten, erstreckte sich die sichtbare Röhre von seinem 5.900 Meter hohen Gipfel steil nach unten. In der ersten Hälfte des Jahres 2016 war der Kraterboden für Flugzeuge, die den Gipfel überflogen, nicht sichtbar. Luftbeobachtungen zeigten einen Krater mit vertikalen Wänden, der mindestens 200 Meter tief ist, eine Dimension, die durch den modellierten Infraschall bestätigt wurde, der auf einen 350 Meter tiefen Schacht hindeutet.

Quellen der Kraterresonanz

Der Weg des Infraschalls von der Vulkanquelle zum Empfänger kann nur verstanden werden, wenn man die dramatischen Modulationseffekte berücksichtigt, die durch die Kratertopographie erzeugt werden. Es ist höchst plausibel, dass sowohl die beeindruckenden Tornillos des Cotopaxi als auch die gedämpften Schwingungen des Villarrica durch kurzzeitige Impulse am Boden ihrer Krater hervorgerufen werden. Eine abrupte Explosion oder ein Impuls enthält ein breites Spektrum von Frequenzen; allerdings werden nur diejenigen, die den Krater in Resonanz anregen, gut aufrechterhalten.

Typischerweise sind Vulkanforscher, die Infraschall-Aufnahmen aus der Ferne analysieren, in der Regel weniger am oszillatorischen „Atmen“ des Kraterauslasses (d.h. seiner Infraschall-Resonanz) interessiert, als daran, wichtige Informationen über die Explosionsquelle zu gewinnen, wie z.B. die Dauer oder den Massenfluss. Diese Informationen tragen zu unserem wachsenden Verständnis darüber bei, wie sich Gas ansammelt und von Magma trennt und wie es vulkanische Explosionen antreibt.

Durch die jüngsten Entwicklungen im Verständnis der akustischen Effekte von Kratern sind wir jedoch besser in der Lage, wichtige Parameter im Zusammenhang mit den Quellen von Explosionen zu ermitteln. Der Cotopaxi und der Villarrica sind nur zwei von Dutzenden weltweit aktiven Vulkanen, bei denen Infraschall zu unserem grundlegenden Verständnis der Eruptionsdynamik und zu unserer Fähigkeit, künftige Paroxysmen vorherzusagen, beiträgt.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde zum Teil durch die Zuschüsse EAR-0838562 und EAR-1830976 der National Science Foundation und durch das Fulbright Scholar Program finanziert.